热加工工艺基础部分第三章焊接

1、第三章第三章 焊接焊接 概述 1、焊接的概念 2、焊接的方法分类（熔焊、压焊、钎焊表表 3-13-1） 钎焊：采用比母材金属熔点低的金属材料作 为钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、 低于母材熔化温度，利用液态钎料润湿母材， 填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊 件的方法） 第一节第一节 焊接的基本原理焊接的基本原理 一、焊接的实质 使两个分离的物体通过加热成加压，或两 者并用，在用或不用填充材料的条件下借 助原子间的联系与质点的扩散作用形成一 个整体的过程。 分离物体永久结合条件：两物体相互接近 到0.3-0.5nm，使之达到原子间的力能达到 相互作用的程度,而加热、加压或两者并用， 来

2、克服妨碍原子结合因素，以达到永久牢 固连接。（如图（如图3-23-2） 图3-2 焊接纯铁时所必需的温度和压力 高压焊接区电阻焊接区熔焊区 不能实现焊接的区域 二、焊接冶金过程及其对焊接质 量的影响 焊接冶金过程，指熔焊时焊接区各种物质之间在焊接冶金过程，指熔焊时焊接区各种物质之间在 高温下相互作用的过程，其实质是焊接条件下的高温下相互作用的过程，其实质是焊接条件下的 再熔炼过程。再熔炼过程。 （1 1）焊接电弧：）焊接电弧：具有一定电压的两极间或电极与具有一定电压的两极间或电极与 母材间，在气体介质中产生的强裂而持久的放电母材间，在气体介质中产生的强裂而持久的放电 现象。现象。 电弧特性：电

3、弧特性： 1 1）焊接电弧由阴极区，阳极区和弧柱三部分组）焊接电弧由阴极区，阳极区和弧柱三部分组 成（阴极区成（阴极区24002400K K、阳极区阳极区26002600K K、弧柱区弧柱区6000-6000- 800800K K） 2 2）总热量总热量Q=KIQ=KI2 2U U 直流电焊机（正接直流电焊机（正接 焊件正、焊件正、 电极负电极负 、反接）、交流电焊机、反接）、交流电焊机 （2 2）焊接的冶金特点）焊接的冶金特点 1）熔池中冶金反应不充分，常发生偏析、 夹杂等缺陷 2）氧、氢、氮等气体分子吸收电弧热量易 分解成活泼原子和离子。 熔滴过渡时与气体和熔渣接触面积超过普 通炼钢过程。

4、 电弧长度越大、氢、氧、氮等气体侵入机 会多。 3）渗合金、补充烧损元素，起脱氧作用。 4）焊缝中硫和磷的质量分数超过0.04% 时，容易产生裂纹。应选用含硫和磷低的 焊接原材料。 三、焊接热过程对焊接接头组织、 性能影响 （一）焊接热循环，焊件上某点的温度随（一）焊接热循环，焊件上某点的温度随 时间变化的过程（图时间变化的过程（图3-43-4） 图3-4 焊件上不同点的焊接热循环 焊件材质为20Mn钢=20mm、v=150mm/min、I=170A,U=25V （二）焊缝区的金属组织与性能（如图（二）焊缝区的金属组织与性能（如图3-53-5） 图3-5 冷轧低碳钢焊接接头温度分布和各区划分

5、1 1、焊缝金属区、焊缝金属区 2 2、熔合区、熔合区 焊缝与母材交接的过渡区， 即熔合线处微观显示的母材半熔化区 （0.1-0.4mm）（危险区或） 3 3、热影响区、材料因受热的影响、热影响区、材料因受热的影响（但未 熔化）而发生金相组织和力学性能变化的 区域。 过热区（危险较大）、细晶区、不完全再 结晶区、再结晶区 四、焊接应力与变形 原因：焊件不均匀局部加热和冷却是导致 焊接应力和变形产生的根本原因 （一）焊接应力与变形的产生（如图（一）焊接应力与变形的产生（如图3-83-8、 3-93-9、3-103-10） 图3-8 平板对焊时应力和变形的形成原理示意图 a)加热时的应力和变形b)

6、冷却时的应力和变形 图3-9 焊缝纵向收缩引起的变形和应力 温度分布正常伸长曲线实际伸长曲 线加热时应力分布曲线冷却后应力 分布曲线 图3-10 焊缝先后冷却引起的横向应力 a)从一端向另一端直通单向焊b)从两头向 中心施焊c)从中心向两端施焊 （二）焊接裂纹与焊接变形形式（如图（二）焊接裂纹与焊接变形形式（如图3-3- 1111、3-123-12） s时，产生变形 b时，产生裂纹，甚至断裂 图3-12焊接变形的基本形式 a)收缩（纵向、横向）变形b)角变形c)弯曲变形d)波浪变形e) 扭曲变形f)错边（长度方向、厚度方向）变形 （三）预防和减小焊接应力及变形的措施（三）预防和减小焊接应力及变

7、形的措施 1、合理设计焊接结构（减少焊缝长度和截 面积、尽量采用对称焊缝、避免交叉焊缝） 2、焊前预热（焊后冷却时，加热区与焊缝 同时收缩。此法称为加热减应区法）（如（如 图图3-133-13） 图3-13 加热减应区法 a)焊前b)焊后 3、反变形法（如图（如图3-143-14） 图3-14 反应形法 a)、c)焊前b)、d)焊后 4、刚性固定法（如图（如图3-153-15） 图3-15 用刚性固定法拼接薄板 5、选择合理焊接顺序（如图（如图3-163-16） 图3-16 合理的焊接顺序 a)焊接顺序应能使焊件自由收缩b)对称焊接法c)长焊缝的分段焊 法d)工字梁的焊接方法e) 6、锤击焊缝

8、法（如图（如图3-173-17） （四）焊接变形的矫正（四）焊接变形的矫正 1、机械矫正法（如图（如图3-193-19） 图3-19 机械械矫正法 a)压力矫正b)锤击矫正变形的步骤 2、火焰矫正法（如图（如图3-203-20） 图3-20 火焰矫正法 a）T形梁的火焰矫正b)薄板波浪变形的火焰 矫正 第二节第二节 焊条电弧焊焊条电弧焊 电弧焊利用电弧作为热源的熔焊方法。 焊条电弧焊是用手工操纵焊条进行焊 接的电弧焊方法。 一、焊条电弧焊电源 1、对焊条电弧焊电源的要求 适当的空载电压和较高的引弧电压， 以利于引弧，保证安全； 电弧稳定燃烧时，焊接电流增大，电 弧电压应急剧下降； 短路电流不应

9、太大； 焊接电流应能灵活调节。 2、电源种类 （1）交流弧焊机 （2）直流弧焊机（直流焊机有正接和反接） 二、焊条 1、焊条的组成和作用 组成： 药皮（透气，保护作用；冶金作用； 稳弧、脱渣作用） 焊芯（填充材料；电极） 2、焊条的分类 （1）按焊条熔渣的化学性质分：酸性焊 条 碱性焊条 （2）按焊条用途分为十一大类 （3）焊条型号（由国家标准分别规定各类 焊条的型号编制） 方法：碳钢焊条的型号E4315(E表示焊条、 43表示焊敷金属的最低b为420Mp、1表 示施焊适于全位置焊接、15表示低氢钠型 药皮，直流反接使用) 3、焊条选用 根据焊条性能特点，并考虑焊件的结构特点，工 作条件、生产

10、批量、施工条件及经济性等因素合 理选用焊条。 主要考虑因素： （1）按强度等级和化学成分选用焊条 a、一般结构，一般选用与焊件强度等级相同的焊 条； b、焊接异种结构钢，按强度等级低的钢种选用； c、焊接特殊性能钢，应选用与焊件化学成分相同 或相近的特种焊条； d、焊件碳、硫、磷分数较大，应选用碱性焊条； e、焊接铸造碳钢成合金钢，一般选用碱性焊条。 （2）按焊件的工况情况 a、焊接承受动载，交变载荷及冲击载荷， 应选用碱性焊条； b、焊接承受静载荷的结构件时，应选用 酸性焊条 c、焊件表面有油污、锈等难以清理的结 构件，应选用酸性焊条； d、焊接在特殊条件工作的结构件，应选 用特殊用途焊条

11、（3）按焊件形状、刚度及焊接位置选用焊 条 三、焊条电弧焊焊接工艺规范 焊接工艺规范：指焊件所有有关的加工和实践要求的 细则文件，可保证熟练工操作时质量的再现性。 包括：焊条型号（牌号）、焊条直径、焊接电流、坡 口形式、焊接层数 1、焊条直径的选择 4mm d=；4mm采用多 层焊 2、焊接电流的选择 焊接电流I = k d 立、横、仰焊时，焊接电流比平焊时减少10-20% K=经 验系数（30-40A/mm） 3、焊层数 n=/d 第三节第三节 其它焊接方法其它焊接方法 一、埋弧焊（电弧在焊剂层下燃烧进行的 焊接方法如图图3-213-21） 图3-21埋弧焊示意图 1焊件 2焊剂 3焊剂漏斗

12、 4焊盘丝 5 焊丝 6焊接机头 7导电嘴8焊缝 9渣壳 （一）焊接过程 电弧引燃后，焊丝盘中的光焊丝通过导 电嘴不断送入电弧区；电弧则随着焊接小 车的前进而匀速向前移动，焊剂从漏斗中 流出撒在焊缝表面。电弧在焊剂层下的光 焊丝和焊件之间燃烧。 （二）埋弧焊的特点和应用 1、生产率高 2、焊接质量高而稳定 3、节约金属材料 4、改善劳动条件 缺点： 1）埋弧焊对接头加工要求高； 2）设备贵 3）不能焊接空间焊缝 4）窄、薄板不适宜 二、气体保护电弧焊 （一）氩弧焊（用氩气作为保护气体 如 图图3-243-24） 图3-24 氩弧焊示意图 a) 熔化极氩弧焊b)钨极氩弧焊 1送丝滚轮 2焊丝 3

13、导电嘴 4喷嘴 5保护气体 6电弧及熔滴 7母材 8钨极 保护电极和熔化金属不受空气的有害作用， 同时氩气又不溶于液体金属。 1、熔化极电氩弧焊 以连续送进的焊丝 作为电极，同时又起填充金属作用。通常 适用于焊接较厚的焊件，如板厚8mm以上的 铝容器。 2、钨极氩弧焊 常用高熔点的钨或钨合金 作为电极，焊接时需加填充金属，填充金 属可以是焊丝，也可以是焊接接头中附加 填充金属条或采用卷边接头等。 氩弧焊特点： 1）保护作用； 2）便于操作； 3）热量集中，热影响区小，应力和变形小 4）电弧稳定，飞溅小 （二）二氧化碳气体保护焊（如（如 图图3-253-25） 图3-25 CO2 气体保护焊示意

14、图 1直流弧焊机 2导电嘴 3焊柜喷嘴 4 送丝软管 5送丝机构 6焊丝盘 7CO2 气瓶 8减压器 9流量计 它用焊丝作电极，送丝机构自动送丝。 特点： 1、电流密度大、熔深大、焊速快、焊后 无需清渣； 2、由于保护气体的压缩作用，电弧热量 集中，焊接热影响区较小，加上CO2气流 的冷却作用，产生变形和裂纹的倾向小。 3、焊缝氢的质量分数低，接头抗裂性好 （其他熔焊的工艺方法同学自学）（其他熔焊的工艺方法同学自学） 第四节第四节 压焊与钎焊压焊与钎焊 焊接过程中，必须对焊件施加压力 （加热或不加热），以完成焊接的 方法称为压焊。 一、电阻焊 工件组合后通过电极施加压力，利用电 流通过接头的接

15、触面及邻近区域产生的 电阻热进行焊接的方法称为电阻焊。 电阻焊利用低电压（2-10V)、大电流 （几千安-几万安），焊接时间极短，生 产率高，焊件变形小，无需填充金属， 操作简单，劳动条件较好，易实现机械 化和自动化。 （一）对焊（是使用两个被焊工件沿整 个接触面焊合的电阻焊工艺） 1、电阻对焊 电阻对焊是将工件装配成对 接接头，使其端面紧密接触，利用电阻热 加热至塑性状态，然后用迅速施加顶锻力 完成焊接的方法。（如图（如图3-303-30） 2、闪光对焊 工件装配成对接接头，接通 电源，并使其端面逐渐移近达到局部接触， 利用电阻热加热这些接触点，使端面熔化， 直至端部在一定深度范围内达到预定

16、温度时， 迅速施加预锻力完成焊接的方法。（如图（如图3-3- 3131） 特点：焊接接头 质量高，端面 清理不要求严 格 （二）电阻点焊 电阻点焊是焊件装配成搭接接头，并压 紧在两电极之间，利用电阻热熔化母材 金属，形成焊点的电阻焊方法。电阻电 焊的工艺过程（如图（如图3-323-32） 焊接时，先加压后通电，被紧密压合的两 焊件柱状电极接触处，由于电阻热温度急 速升高被熔化形成熔核，周围金属材料并 呈塑性状态，断电后，继续保持或稍加大 压力，封密在塑性材料中间的熔核在压力 下凝固结晶，获得组织致密的焊点。 焊第二点时，部分电流会流经已焊好的焊 点，这种现象称为分流现象，分流会使焊 接处电流变

17、小，影响焊接质量，故两焊点 间应有一定距离，其大小与焊件材料及厚 度有关，导电性越强，厚度越大，分流起 严重，点距应该越大。 点焊通常采用搭接接头。 三、钎焊 钎焊采用比母材熔点低的金属材料 作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔 点，低于母材熔化温度，利用液态钎料润 湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散 实现连接焊件的方法。 钎焊种类： 1、硬钎焊使用硬钎料（450C）进 行的钎焊称为硬钎焊。 钎料铜基、银基、铝基、等合金。 钎剂硼砂、硼酸、氯化物、氟化物等。 加热方法火焰加热，炉内加热 2、软钎焊使用软钎料（450C）进 行的钎焊 钎料锡、铅 钎剂松香、酒精溶液、氯化锌溶液 加热方法常用烙铁

18、加热 钎焊特点：加热温度低、焊件应力、变形 小，同种异种金属均可焊接。 第六节 常用金属材料的焊接 一、金属材料的焊接性能 金属材料的焊接性能是指材料在限定的 施工条件下，焊接成按规定设计要求的 构件，并满足预定服役要求的能力。 焊接性受材料、焊接方法、构件类型及 使用要求四个因素影响。 焊接性的好坏主要从两个方面衡量： 焊接工艺性的优劣；焊接接头在使用过 程中的可靠性。 （一）影响金属材料焊接性的主要因素 1、材料因素； 2、工艺因素； 3、结构因素； 4、工作环境、载荷性质、工作温度、 工作介质等。 （二）焊接性的评定 金属的焊接性可以通过估算或试验的方法 来评定 1、用碳当量法估算钢材的

19、焊接性 碳当量是把钢中合金元素（包括碳）的含 量按其作用换算成碳的相当含量。 %100 1556 cuNVMCM CC iorn E CE越高，钢材的焊接性越差。 CE0.4% 热影响区淬硬及冷裂倾向不大， 焊接性优良； CE=0.4-0.6%时，热影响区的淬硬及冷裂 倾向逐渐增大，焊接性较差； CE0.6%时，热影响区的淬硬及冷裂倾向 严重，焊接性很差。 2、焊接性试验 裂纹试验 接头力学性能试验 接头腐蚀性试验 二、碳素钢的焊接 1、低碳钢的焊接 低碳钢塑性好，一般没有淬裂倾向， 对焊接热过程不敏感，具有良好的焊 接性。 低碳钢可以用各种焊接方法进行焊 接。 2 2、中、高碳钢、中、高碳钢

20、 中、高碳钢属于淬火钢，随着 碳的质量分数的增加，其淬硬性 逐渐增强，焊接性明显变差。 通常焊接中碳钢的铸件或锻件， 焊接时一般从两方面注意。 选用适当的焊条 采用一定的工艺措施 三、低合金钢的焊接 1、低合金钢焊接经常出现的问题 （1）热裂纹（其原因主要是铜、硼、氮等 元素形成裂纹的敏感元素） （2）冷裂纹（其原因是接头的刚度大，造 成局部应力大、或是冷却过程中氢析出 后聚集） （3）白点在焊缝金属拉断面上，出现 的如鱼目状的一种白色圆形斑点。 2、低合金钢的焊接工艺特点 应根据等强度原则 四、不锈钢的焊接 不锈钢中应用最为广泛的是铬镍奥氏 体不锈钢，其焊接性能良好，常采用 焊条电弧焊和钨极

21、电弧焊。 五、铸铁的补焊 补焊为修补工件（铸件、锻件、机械加 工件或焊接结构件）的缺陷而进行的焊接称 为补焊。 铸铁焊接时，极易形成白口组织和裂纹 1、避免白口和裂纹的措施 缓慢冷却，调整热循环，使碳元素可以 自由的游离出来 调整焊缝金属的化学成分，加入促进石 墨化的元素。 采取必要的工艺措施 2 2、补焊方法和补焊材料、补焊方法和补焊材料 （1）铸铁补焊方法：热焊法 （ 5 0 0 - 7 0 0） 、 半 热 焊 法 （400）、冷焊法（低于400 （2）铸铁的补焊材料 采用铸铁焊条：焊缝金属为铸铁 组织的焊条、焊缝组织为非铸铁 组织的焊条 六、有色金属的焊接 （一）铜及铜合金的焊接 1、

22、特点：导热性强膨胀系数大液态时易 形成cu2o，结晶时和铜形成低熔点的共晶体液 态时吸气性强电阻极小，故不适宜采用电阻焊。 2、铜及铜合金的焊接工艺 气焊 焊条电弧焊 手工氩弧焊： 纯铜用 HSCu焊丝 黄铜用 HSCuZn焊丝 白铜用 HSCuNi 或HSCuZnNi焊丝 （二）铝及铝合金的焊接 1、铝及铝合金的焊接特点 铝的热导率大 铝的氧化性强(夹渣和气孔） 铝的熔点低 2、铝及铝合金的焊接工艺 气焊适用于薄壁小件 手工氩弧焊采用反接极性对熔池表 面氧化膜产生“阴极破碎”作用，有利于 保护焊缝。 第七节第七节 焊接结构设计焊接结构设计 一、焊接结构材料的选择 原则，在满足结构使用要求的条

23、件 下，尽量选择焊接性能较好的材料， 同一构件焊接时，尽量采用同种金属， 异种金属难焊接。 二、焊接方法的选择 焊接方法选择的主要依据是：综合考 虑材料的焊接性，工件的结构形式， 厚度及各种焊接方法的适用范围。 三、焊接接头设计 （一）焊接结构应尽量选用型材成冲压件 （如图（如图3-443-44） 图3-44 合理选材与减少焊缝 a)用四块钢板焊成b)用两根槽钢焊成c)用两根钢板弯曲 后焊成d)容器上的铸钢件法兰 （二）合理布置焊缝 焊缝布置应尽量分散（如图（如图3-453-45） 图3-45 焊缝分散布置的设计 a)、b)、c)不合理d)、e)、f)合理 焊缝和位置应尽量对称布置（如图（如图3-463-46） 图3-46 焊缝对称布置的设计 a)、b)不合理c)、d)、e)合理 尽量减少构件或焊接接头部位的应力集